粉末ベッドとインクジェットヘッド3Dプリント

プロセスの概略図：可動ヘッド（a）が粉末層（e）の表面を選択的に（接着剤を滴下またはレーザー焼結によって）結合させる。可動プラットフォーム（f）が層を徐々に下げ、固化した物体（d）は未結合の粉末層内に留まる。新しい粉末は、レベリング機構（b）を介して粉末リザーバー（c）から継続的に層に供給される。

バインダージェット3Dプリンティングは、「パウダーベッド＆インクジェット」や「ドロップオンパウダー」プリンティングとも呼ばれ、CADファイルなどのデジタルデータで記述された物体を作製するためのラピッドプロトタイピングおよび積層造形技術です。バインダージェッティングは、 ASTMおよびISOに準拠した7つの積層造形プロセスの1つです。[ 1 ]

歴史

この技術はマサチューセッツ工科大学で初めて開発され、1993年に特許を取得しました。1996年に、エックスワン社がこの技術の独占的使用分野特許を取得し、[ 2 ]一方、後に3Dシステムズに買収されたZコーポレーションは、 [ 3 ]金属鋳造の目的でこの技術を使用するための非独占特許を取得しました。[ 4 ]「3次元印刷」という用語は、略語3DPとともに、MITの研究グループによって商標登録されました。[ 5 ] [ 6 ]その結果、「3D印刷」という用語は、すべての付加製造プロセスを指す用語として広く受け入れられるようになる前は、バインダージェット印刷プロセスのみを指していました。

説明

他の多くの積層造形プロセスと同様に、印刷する部品は3Dモデルの多数の薄い断面から構成されます。インクジェットプリントヘッドが粉末層上を移動し、液体結合材を選択的に塗布します。完成した断面全体に粉末の薄い層が塗布され、このプロセスが繰り返され、各層が前の層に接着されます。

モデルが完成すると、結合していない粉末は「脱粉末」と呼ばれるプロセスで自動および/または手動で除去され、ある程度再利用することができます。[ 7 ]

粉末を除去した部品は、最終部品に望まれる特性を生み出すために、オプションでさまざまな浸透剤やその他の処理を施すことができます。

材料

マドローダムミニチュア パークの Fantasitron 写真ブースで撮影された 2D 写真から、Shapeways が石膏ベースの印刷を使用して作成した 1:20 スケールの3Dセルフィーです。

初期の実装では、デンプンと石膏プラスターが粉末層に充填され、液体の「バインダー」はプラスターを活性化するための水が主成分です。バインダーには、染料（カラー印刷用）や、プリントヘッドの仕様に合わせて粘度、表面張力、沸点を調整するための添加剤も含まれています。得られた石膏部品は、通常「グリーン強度」が不足しており、通常の取り扱いの前に、 溶融ワックス、シアノアクリレート接着剤、エポキシ樹脂などを浸透させる必要があります。

従来のインクジェット技術を必ずしも採用する必要はないが、化学的または機械的な手段によって物体を成形するために、様々な粉末とバインダーの組み合わせが採用され得る。得られた部品は、その後、浸透やベークアウトなどの様々な後処理過程にかけられる。これは、例えば、機械的バインダーを除去（例えば、燃焼によって）してコア材料を固める（例えば、溶融によって）ため、または粉末とバインダーの特性を混合した複合材料を形成するために行われる。材料によっては、フルカラー印刷が選択肢となる場合とそうでない場合がある。2014年現在、発明家や製造業者は、砂と炭酸カルシウム（人工大理石の形成）、アクリル粉末とシアノアクリレート、セラミック粉末と液体バインダー、砂糖と水（キャンディーの製造）などから物体を成形するシステムを開発している。グラフェンの使用を組み込んだ最初の市販製品の1つは、粉末床インクジェットヘッド3D印刷で使用される粉末複合材料であった。[ 8 ]

3Dプリントと浸透法で製造されたTi-6Al-4Vと銀の複合材料、金属組織断面のSEM写真

3Dプリント技術は、単一の造形内で材料特性を変化させる可能性に限界があり、一般的には共通のコア材料を使用することで限界があります。Zコーポレーションのオリジナルシステムでは、断面は通常、ソリッドなアウトライン（ソリッドシェルを形成）と低密度の内部パターンでプリントされます。これにより、プリント速度が向上し、部品の硬化時の寸法安定性が確保されます。

特徴

複数のプリントヘッドと着色バインダーを用いた立体的な色彩表現に加え、3Dプリンティングプロセスは、造形材料とサポート材料の100%を所望の解像度で堆積させる必要がある熱溶解積層法（FMD）などの他の積層造形技術よりも一般的に高速です。3Dプリンティングでは、各印刷層の大部分は、複雑さに関わらず、同じ高速拡散プロセスによって堆積されます。[ 9 ]

他のパウダーベッド技術と同様に、ルーズパウダーがオーバーハング形状や積層・吊り下げられた物体を支えるため、一般的にサポート構造は必要ありません。プリントされたサポート構造が不要になることで、造形時間と材料使用量を削減し、装置と後処理の両方を簡素化できます。しかし、粉末除去自体は繊細で、面倒で、時間のかかる作業です。そのため、一部の装置では、実現可能な範囲で粉末除去と粉末リサイクルを自動化しています。ステレオリソグラフィーと同様に、造形体積全体が粉末で満たされるため、中空部品から空気を排出する手段を設計に組み込む必要があります。

他のパウダーベッドプロセスと同様に、表面仕上げと精度、造形物の密度、そして材料とプロセスによっては部品の強度は、ステレオリソグラフィー（SLA）や選択的レーザー焼結（SLS）などの技術に比べて劣る場合があります。「階段状」や非対称な寸法特性は、他の多くの積層造形プロセスと同様に3Dプリントの特徴ですが、3Dプリント材料は一般的に、垂直方向と平面方向の解像度の差を最小限に抑えるように統合されます。このプロセスは、ターゲット解像度でのレイヤーのラスタライズにも適しており、交差するソリッドやその他のデータアーティファクトを高速に処理できます。

パウダーベッド方式とインクジェット方式の3Dプリンターの価格帯は通常5万ドルから200万ドルです。しかし、一般向けFDMプリンターをパウダーベッド方式/インクジェット方式のプリンターに改造できる、趣味人向けのDIYキットが800ドルから販売されています。

制限事項

バインダージェッティング法を用いて印刷された部品は、粉末床溶融法とは異なり、粉末を物理的に溶融させることなく結合剤によって結合させるため、本質的に多孔質であり、表面は未仕上げです。結合剤の使用により、高融点材料（セラミックなど）や熱に弱い材料（ポリマーなど）を粉末化し、積層造形に使用することができますが、バインダージェッティング法による部品は、硬化、焼結、追加の仕上げなど、部品の印刷よりも時間がかかる追加の後処理が必要になります。[ 10 ]

バインダージェッティングプロセス中に生成された通常の金属粒子と凝集粒子のX線画像。使用した粉末は9μmのステンレス鋼316です。大きな円形の凝集粒子に注目してください。これが粉末層の枯渇につながります。

バインダージェッティングは、バインダーが粉末ベッド表面に滴下された際に発生する粉末ベッドの空乏化現象が特に発生しやすい傾向があります。この問題はバインダージェッティングにおいて特に顕著です。従来の積層造形プロセス（高熱を用いて粉末を溶融・融合させる）とは異なり、ベッド上に滴下されたバインダーの「ジェット」によって、半結合状態の粉末の大きな凝集体が表面から噴出され、表面下に空乏層が残る可能性があります（30μmのSS316粉末の場合、空乏層の深さは56±12μmでした）。後続の粉末層が印刷されるにつれて空乏層が拡大すると、バインダージェッティングで印刷された部品の品質に重大な影響を及ぼす可能性があります。噴出された凝集体はベッドの他の領域に付着し、ベッド表面の平坦性が損なわれ、最終部品の寸法が歪んで不正確になり、表面下に大きな空隙が形成されます。残留欠陥や応力が全体に存在する可能性があり、それによって、すでに弱い部分の強度がさらに低下する可能性がある（バインダー噴射部分の固有の多孔性による）。[ 11 ]

これらの要因により、バインダージェッティング法は航空宇宙などの高性能用途では利用が制限されます。バインダージェッティング法で造形された部品は、一般的に粉末床溶融結合法で造形された部品よりも強度が低いためです。しかしながら、バインダージェッティング法はラピッドプロトタイピングや低コストの金属部品の製造に最適です。[ 12 ]

最近の進捗状況

バインダージェッティングは有望な積層造形技術として進化を続けており、近年の進歩により、精度と材料品質の向上が期待されています。注目すべき研究「バインダージェットにおける制御されたプレウェッティングの部品形成への影響​​ - 積層造形」[ 13 ]では、ステンレス鋼粉末のプレウェッティングが部品形成に及ぼす影響について調査されています。この研究では、印刷前にExOne 316L粉末に制御されたレベルの水分を導入することで、バインダーの吸収が向上し、粒子の凝集が減少し、結果として多層部品の品質が向上することが示されています。このアプローチは、表面粗さ、ライン形成、多孔性制御などの重要な要素を改善します。この研究では、最適なプレウェッティングによって粒子間の凝集力が高まり、より高密度で均一なグリーン部品が得られることが明らかになっています。しかし、過剰な水分はバインダーの飽和に悪影響を及ぼし、部品の強度を低下させます。

「バインダー前駆体として粒子を含まない金属インクを用いたバインダージェッティング積層造形」[ 14 ]という研究は、従来のポリマーバインダーの代替として、有機金属分解（MOD）ベースの粒子を含まないインクの使用を紹介しています。この方法は、熱分解を利用して金属ナノ粒子を堆積させることで、残留不純物、複雑な焼結プロセス、材料純度の低下といった課題を克服します。この研究は、溶解性、粘度、ジェッティング性などの特性を最適化するために、2-メトキシエタノールを用いた銅ベースのMODインクの開発に焦点を当てました。MODインクはバインダージェッティングとの優れた適合性を示し、ナノ粒子懸濁液によく見られるノズル詰まりや沈殿などの問題を回避しました。MODインクで印刷されたグリーンパーツは強度が低下し、エッジの脆弱性が増大しましたが、焼結後は高純度で高密度のコアを示し、気孔率は最小限で残留汚染物質は存在しませんでした。この研究は、バインダージェッティングにおけるMODインクの実現可能性を検証し、高純度で高密度の金属部品を製造するための道筋を示しています。今後の研究では、この技術の拡張性と他の金属への応用が検討され、工業規模の付加製造におけるバインダージェッティングに革命を起こす可能性があります。

バインダージェッティングの将来、特に食品用途においては、非常に興味深い将来性が期待されています。「バインダージェット3Dプリンティングによるエンドウ豆由来スナックのテクスチャ調整」[ 15 ]などの最近の研究は、革新的でカスタマイズ可能な食品の創出におけるこの技術の可能性を浮き彫りにしています。この研究は、栄養価の高いエンドウ豆粉と水性結合溶液を組み合わせたスナックをバインダージェッティングで製造する実現可能性を実証しています。この方法は、テクスチャの精密な調整を可能にし、カスタマイズされた機械的特性を持つ植物由来スナックの製造を可能にします。さらに、この研究では、バインダーの飽和度、糖含有量、焼成などの様々なパラメータが、印刷サンプルの機械的特性に及ぼす影響についても調査しています。その結果、バインダー濃度の調整がスナックの強度と圧縮性に大きな影響を与え、市販製品に匹敵する特性を実現できることが明らかになりました。

参照

参考文献

  1. ^ 「ISO / ASTM52900 - 15 積層造形における標準用語 – 一般原則 – 用語」 ASTM International. 2015年. 2019年1月24日閲覧。
  2. ^ 「改正および再制定された独占的特許ライセンス契約」www.sec.gov . 2019年6月24日閲覧。
  3. ^ 「3D Systems、Z CorpとVidarの買収を完了」3D Systems、2012年1月3日。 2019年6月24日閲覧。
  4. ^ 「改正および再制定された独占的特許ライセンス契約」www.sec.gov . 2019年6月24日閲覧。
  5. ^ 「プリンターが3Dコピーを生成」 BBCニュース、2003年8月6日。 2008年10月31日閲覧。
  6. ^グリム、トッド (2004).ラピッドプロトタイピングユーザーズガイド. SME. p. 163. ISBN 978-0-87263-697-2. 2008年10月31日閲覧。
  7. ^スクレイター、ニール、ニコラス・P・チロニス (2001). 『メカニズムと機械装置ソースブック』 マグロウヒル・プロフェッショナル. p. 472. ISBN 978-0-07-136169-9. 2008年10月31日閲覧。
  8. ^ 「Graphenite™ Graphene™ 強化3Dプリンターパウダー - 30ポンド」 Noble 3Dプリンター. 2018年4月28日閲覧。
  9. ^ 「最高の高解像度産業用3Dプリンター - Fusion3 F410」。
  10. ^ Gokuldoss, Prashanth Konda; Kolla, Sri; Eckert, Jürgen (2017年6月). 「積層造形プロセス：選択的レーザー溶融法、電子ビーム溶融法、バインダージェッティング法 — 選択ガイドライン」 . Materials . 9 ( 6): 2– 3. Bibcode : 2017Mate...10..672G . doi : 10.3390/ma10060672 . PMC 5554053. PMID 28773031 .  
  11. ^ Parab, Niranjan D.; Barnes, John E.; Zhao, Cang; Cunningham, Ross W. Cunningham; Fezzaa, Kamel; Rollett, Anthony D.; Sun, Tao (2019年2月). 「バインダージェッティング印刷プロセスのリアルタイム観察」 . Scientific Reports . 9 (1): 5– 6. doi : 10.1038/s41598-019-38862-7 . PMC 6385361. PMID 30792454 .  
  12. ^ 「金属バインダージェッティングについて知っておくべきことすべて」。Autonomous Manufacturing。2018年。 2019年3月10日閲覧。
  13. ^ Inkley, Colton G.; Lawrence, Jacob E.; Crane, Nathan B. (2023年6月25日). 「バインダージェット積層造形における制御されたプレウェッティングによる部品形成への影響​​」 . Additive Manufacturing . 72 103619. doi : 10.1016/j.addma.2023.103619 . ISSN 2214-8604 . OSTI 1975411 .  
  14. ^ Bai, Yun; Williams, Christopher B. (2018年6月5日). 「バインダー前駆体として粒子を含まない金属インクを用いたバインダージェット積層造形」 . Materials & Design . 147 : 146–156 . doi : 10.1016/j.matdes.2018.03.027 . ISSN 0264-1275 . 
  15. ^ Chadwick, Ethan; Barrett, Ann H.; Okamoto, Michael; Suleiman, Yara; Bertola, Guilherme PSR; Shahbazmohamadi, Sina; Shetty, Abhishek; Li, Yonghui; Ma, Anson WK (2024年10月1日). 「バインダージェット3Dプリンティングによるエンドウ豆ベースのスナックのテクスチャー調整」 . Journal of Food Engineering . 378 112112. doi : 10.1016/j.jfoodeng.2024.112112 . ISSN 0260-8774 . 
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